用活性炭改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的機(jī)理

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簡(jiǎn)介： 活性炭吸附材料對(duì)室內(nèi)氣態(tài)污染物具有優(yōu)秀的吸附性能,活性炭過濾器逐漸應(yīng)用于民用建筑空調(diào)系統(tǒng)中。本文簡(jiǎn)要介紹了活性炭的發(fā)展歷史、分類、結(jié)構(gòu)、性質(zhì),以及活性炭吸附室內(nèi)污染物的物理和化學(xué)作用機(jī)理；同時(shí)對(duì)活性炭所去除的污染物種類也作了簡(jiǎn)要概括。
關(guān)鍵字：活性炭 空氣品質(zhì) 物理吸附 化學(xué)吸附

1 室內(nèi)空氣品質(zhì)
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類在生活居室環(huán)境方面獲得了巨大的改善?？照{(diào)的廣泛使用給人們創(chuàng)造了一個(gè)以溫濕度為主的舒適性環(huán)境，但同時(shí)也帶來了室內(nèi)空氣品質(zhì)問題，尤其是無新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)房間，導(dǎo)致了“病態(tài)建筑綜合癥”、“建筑相關(guān)病”和多種化學(xué)物過敏癥?！安B(tài)建筑綜合癥”的常見癥狀主要有頭痛、神經(jīng)疲勞、皮膚干燥、鼻塞、流鼻涕、流淚、眼癢等等。“建筑相關(guān)病”是指由空氣中的某種成分直接引起的病癥，比較嚴(yán)重的有“軍團(tuán)病”、“超敏性肺炎”等，有時(shí)甚至能帶來生命危險(xiǎn)。

所謂室內(nèi)空氣品質(zhì)，一般是指在某個(gè)具體的環(huán)境內(nèi)，空氣中的某些要素對(duì) 人群工作、生活的適宜程度，是反映了人們的具體要求而形成的一種概念。這種概念是建立在“以人為本”的基礎(chǔ)上的。顯然，人們不僅要求適宜的室內(nèi)溫濕度，而且人們還要求室內(nèi)空氣是新鮮的，無污染的，從而引發(fā)了對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的廣泛研究。

室內(nèi)空氣基本污染物與污染源如下：

表一 室內(nèi)主要污染物及其來源

污 染 物

污 染 源

懸浮微粒

燃燒、抽煙、人體

煙草煙霧

人的吸煙行為

石棉

保溫材料

氡及其蛻變物

墻體和地基

甲醛

建筑材料、家具

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）

油漆、清潔劑、建筑材料

一氧化碳

燃燒、吸煙

二氧化碳

燃燒、呼吸

微生物

家畜、人體

過敏物

動(dòng)物、毛發(fā)、昆蟲、花粉

臭氧

現(xiàn)代電子辦公用品

     室內(nèi)空氣有害物的種類繁多，但一般都是以低濃度的形式存在，有時(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人的嗅覺閾值，但這并不意味著人體無害，恰恰相反，人一生中有五分之四的時(shí)間在室內(nèi)度過，長(zhǎng)期受低濃度污染物的直接毒害，其后果還是相當(dāng)嚴(yán)重的。

為了清除室內(nèi)空氣中的有害物質(zhì)，通風(fēng)是一種非常有效的辦法，但是它也有缺點(diǎn)：在室外大氣污染日趨嚴(yán)重的今天，燃料的燃燒、工業(yè)生產(chǎn)及機(jī)動(dòng)車輛排放的廢氣使得室外空氣的質(zhì)量也很差，而且室外空氣與室內(nèi)空氣的交換會(huì)帶來巨大的能耗。局部通風(fēng)有時(shí)也因?yàn)槲廴驹摧^分散或根本就不知道氣態(tài)污染物從何而來而無法實(shí)現(xiàn)。目前通用的過濾器只是過濾灰塵，還不具備清除有害氣體和細(xì)菌的功能。成功分離低濃度的氣態(tài)污染物質(zhì)和細(xì)菌對(duì)改善室內(nèi)陸空氣品質(zhì)至為重要。活性炭吸附材料對(duì)室內(nèi)氣態(tài)污染物具有優(yōu)秀的吸附性能，使活性炭過濾器逐漸應(yīng)用于民用建筑空調(diào)系統(tǒng)中。在通風(fēng)量不變的條件下，它能使室內(nèi)空氣得到更全面的凈化。

2 活性炭的發(fā)展歷史及分類
使用活性炭作為一種吸附材料已具有悠久的歷史。早在古埃及時(shí)代，人類就會(huì)利用木炭來消除傷口散發(fā)的氣味；1773年，謝勒首次科學(xué)地證明了木炭對(duì)氣體具有吸附力；1808年，木炭被用到蔗糖業(yè)；第一次世界大戰(zhàn)期間，為了消除化學(xué)武器的威脅，活性炭防毒面具問世，這是活性炭第一次應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域；上個(gè)世紀(jì)六十年代，具有獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)且吸附性能優(yōu)異的新型纖維狀活性炭材料研制成功。目前對(duì)吸附材料的研究集中于非均勻吸附劑的加工工藝、微觀特征、能量不均勻性及吸附性能等。

活性炭種類很多，因其原料、用途、性能、形狀不同，彼此間差別很大，分類的方法也很多。按外部形狀分類，可分為粉狀活性炭、顆粒活性炭、纖維活性炭。纖維活性炭是在碳纖維的基礎(chǔ)上研制和開發(fā)的新產(chǎn)品，在日本主要以有機(jī)化合物為原料，纖維活性炭的細(xì)度僅為頭發(fā)的1/3左右。我國(guó)已有用石油瀝青作原料研制出優(yōu)質(zhì)纖維狀活性炭的報(bào)道。從原料分類，可分為煤炭原料、植物原料、石油原料、塑料等。按用途分類，可分為氣相吸附、液相吸附、工業(yè)催化活性炭?？諝鈨艋饕脷庀辔?，要求微孔發(fā)達(dá)。

3 活性炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
活性炭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，既不象石墨、金剛石那樣碳原子按一定的格局排列，又不象一般含碳物質(zhì)那樣含有復(fù)雜且多樣的有機(jī)物，有著龐大的分子結(jié)構(gòu)。它有著自己的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。它由排列成六角形的碳原子平面層組成，但是這些平面不是完全沿共同的垂直軸排列而是一層與一層的角位移雜亂而無規(guī)律，這種結(jié)構(gòu)叫“螺層狀結(jié)構(gòu)”。在活化過程中，基本微晶之間清除了各種含碳化合物和無序碳這樣便產(chǎn)生了空隙。所剩余的碳之間堆積相當(dāng)疏松，但相互的聯(lián)結(jié)卻相當(dāng)牢固。因此各微晶之間才有許多形狀不同，大小不等又有一定強(qiáng)度的空隙，按孔徑大小一般分為大孔、中孔和小孔。1972年國(guó)際精細(xì)應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)原蘇聯(lián)學(xué)者杜賓寧依據(jù)活性炭的物理性能把三種空隙的分類作了具體的規(guī)定?；钚蕴?0%的表面積都在微孔上，所以微孔是決定其吸附性能的重要因素。

表二 活性炭孔隙分類

孔型

聯(lián)合會(huì)規(guī)定的孔隙直徑（nm）

微孔

<2.0

中孔

2.0～50

大孔

>50

在活性炭的吸附過程中，這三種孔隙各有其特殊功能。對(duì)吸附來說，微孔是最重要的，它的比表面積可達(dá)幾百甚至上千㎡/g，孔容也比較大。微孔在很大程度上決定著活性炭的吸附能力。

活性炭的吸附特性不僅取決于它的孔隙結(jié)構(gòu)，而且取決于它的化學(xué)組成。由于基本微晶在活化時(shí)，一部分被燒掉，受到不完整石墨層的干擾改變了碳骨架電子云的排列，出現(xiàn)了不完全飽和價(jià)或成對(duì)電子直接影響著活性炭的吸附特性。另一影響活性炭吸附特性的是結(jié)構(gòu)中的雜原子?；钚蕴恐械碾s原子有兩種來源：一種是以化學(xué)結(jié)合的元素形成的，如氧和氫，這些元素一般來源于原材料，在炭化時(shí)不能完全分解遺留下來的，有的則是活化時(shí)，和活化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)結(jié)合在表面上的。另一種是灰分，這些灰分主要來源于活性炭的原材料，也有少數(shù)是生產(chǎn)過程帶入的?；曳质够钚蕴康奈⒕ЫY(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，氧被化學(xué)吸著于這些缺陷上，從而提高了活性炭對(duì)極性分子的吸附作用。灰分的存在對(duì)氣體吸附（如二氧化硫、水蒸氣、醋酸等）也有直接影響。

在活性炭中加入某些無機(jī)化合物（如ALCL3、NaOH、CuO等）可使活性炭改性，吸附性能發(fā)生了某些明顯的變化。對(duì)某些物質(zhì)的吸附也可產(chǎn)生奇特的效果。

氧和氫的存在對(duì)活性炭的吸附性能影響較大，它們以化學(xué)鍵與碳原子結(jié)合，是活性炭結(jié)構(gòu)的有機(jī)部分。它們是優(yōu)良活性炭的重要組分。按照固體表面多相理論，氧、氫和其他雜原子結(jié)合在微晶的邊緣和角上的碳原子上，因?yàn)檫@種碳原子不完全飽和，反應(yīng)性較高。

在所有結(jié)合的元素中，氧比其他元素更引起人們的重視。因?yàn)檠鯇?duì)活性炭基本微晶的排列及大小有重大影響。這種表面結(jié)合的氧對(duì)水蒸氣和其他極性或可極化氣體的吸附能力有重大影響。

C—O表面化合物是多樣的。例如：C—O表面絡(luò)合物、表面氧化物、表面氧化化合物和化學(xué)吸著氧。這些化合物分成兩類：一類是在溫度低于100℃時(shí)，氣態(tài)氧和活性炭表面發(fā)生反應(yīng)生成氧的絡(luò)合物，經(jīng)水合作用生成羥基和其他堿性基，這些堿性基可以起到離子交換作用；當(dāng)加熱到1000℃時(shí)，則生成氣態(tài)氧化物，從活性炭表面脫除。另一類是在300～500℃下，氧與活性炭接觸生成酸性氧化物，經(jīng)水合作用可生成酸性表面化合物，也有離子交換能力。由表面氧結(jié)合的官能團(tuán)主要有：羥基、羧基、酚基、內(nèi)脂、醌。但只有一部分氧結(jié)合在這些官能團(tuán)中，其余的則是以醚性鏈同碳表面結(jié)合。

在活性炭中，還結(jié)合有N、CL等其他元素，這些原子的結(jié)合對(duì)活性炭的吸附性能也有著明顯的影響。

綜上所述：在活性炭中，由于微晶間的強(qiáng)烈交聯(lián)形成了發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，通過活化反應(yīng)使微孔擴(kuò)大形成了許多大小不同的孔隙，其表面一部分被燒掉，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整，加上灰分及雜原子的存在，使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價(jià)，使氧及其他雜原子吸著于這些缺陷上，因而使活性炭產(chǎn)生各種各樣的吸附特性。